Исследование термомеханических параметров горячей и теплой прокатки титанового сплава типа ВТ23

Введение

Термически упрочняемые титановые сплавы получили широкое распространение в различных отраслях машиностроения [1]. В отечественной промышленности освоено производство термически упрочняемых титановых сплавов типа ВТ6, ВТ14, ВТ15 и других с большим пределом прочности в отожженном состоянии [2, 3]. Однако в связи с развитием техники и увеличивающимся спросом на продукцию из титановых сплавов возникла потребность в освоении технологий изготовления полуфабрикатов, которые по удельной прочности могут конкурировать с полуфабрикатами из высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов [4].

Одним из таких сплавов является сплав типа ВТ23 – многокомпонентный сплав системы Ti–Al–Mo–V–Cr–Fe, который относится к двухфазным термически упрочняемым (α + β)-сплавам мартенситного типа. Температура превращения (α + β) ↔ β составляет 900–930 °С [5]. По своему фазовому составу сплав типа ВТ23 близок к сплаву типа ВТ14. Отличие сплава типа ВТ23 от сплава типа ВТ22 состоит в меньшей степени легирования молибденом (1,5–2,5 вместо 4,0–5,5 %) [6], что придает ему некоторые более выгодные технологические и механические свойства. Химический состав сплава типа ВТ23 следующий [7], % (по массе):

Однако сплав типа ВТ23, как и другие титановые сплавы, чувствителен к перегреву [8]. Его нагрев выше температуры полиморфного превращения приводит к интенсивному росту зерен [9] и огрублению структуры [10], что снижает характеристики пластичности. Механические свойства сплава представлены в таблице.

Сплав хорошо сваривается всеми видами сварки, сварные соединения сплава характеризуются высокой прочностью. В научно-технической литературе рекомендуются следующие режимы термической обработки сплава типа ВТ23: отжиг при температуре нагрева 750 °С, охлаждение на воздухе; термоупрочняющая обработка ‒ закалка при температуре 780–800 °С, охлаждение в воде и старение при 450–520 °С с охлаждением на воздухе [11].

Цель данной работы ‒ определение термомеханических параметров прокатки листов из сплава типа ВТ23 толщиной  2 мм и разработка технологии прокатки в условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, а также определение уровня механических свойств листов  в отожженном и упрочненном состоянии [12].

Материалы и методы

Исследования параметров и режимов горячей прокатки сплава типа ВТ23 проводили на образцах толщиной 12 мм. Образцы получали из опытных слитков, изготовленных методом двойной электронно-лучевой выплавки [13]. Для анализа возможности осуществления прокатки титанового сплава в условиях НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ использовали специализированный программный комплекс [14], с помощью которого производили компьютерное моделирование для определения усилий прокатки и расчета размеров полученных полуфабрикатов [15].

Образцы под прокатку нагревали в камерной электропечи с максимальной рабочей температурой 1250 °С. Для компенсации потери тепла образцов при переносе их от печи к прокатному стану температуру печи устанавливали на 20 °С выше температуры прокатки. Образцы загружали в печь в садках по 12 шт. и устанавливали на ребро с зазором для обеспечения лучшего прогрева. При прокатке за несколько проходов образцов из садки одного нагрева происходят большие тепловые потери, поэтому для их компенсации прокатываемые образцы после каждого прохода подогревали в печи в течение 10–15 мин до температуры на 20–30 °С ниже температуры предыдущей прокатки.

Исследование параметров горячей прокатки проводили на стане для горячей прокатки. Диаметр валков составлял 450 мм, длина 900 мм при скорости прокатки 0,4 м/с. Определение силовых параметров прокатки производили при температурах выше и ниже температуры фазового превращения. Образцы прокатывали с обжатием 15 % за проход при всех температурах и с обжатием 30 % за проход при температурах горячей прокатки. Кроме того, для оценки деформируемости сплава при температурах горячей прокатки образцы прокатывали с обжатием 45 % за один проход.

Для определения влияния различных температурно-деформационных режимов прокатки на механические свойства сплава типа ВТ23 проводили горячую прокатку образцов толщиной 12 мм до толщины 4,5 мм за 3–4 прохода с обжатием 15–30 % за проход по двум температурным режимам: в диапазоне горячей и теплой прокатки. Горячекатаные образцы толщиной 4,5 мм после травления подвергали теплой прокатке при температурах ниже температуры полиморфного превращения до толщины 2 мм за 4–7 проходов с обжатием 6–20 % за проход.

Испытания образцов на определение относительного удлинения и кратковременной прочности осуществляли по ГОСТ 9651–84 и ГОСТ 1497–84. Структуру полученного полуфабриката изучали на микроскопе при увеличении ×300. Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение 

Компьютерное моделирование процессов прокатки

Компьютерное моделирование процессов прокатки листов из сплава типа ВТ23 проводили с целью отработки режимов прокатки сплава. В специализированном программном комплексе выполнены расчеты с помощью метода конечных элементов. Оценивали как форму и температуру заготовки, так и усилие деформации. Результаты компьютерного моделирования представлены на рис. 1. Видно, что при моделировании горячей прокатки (рис. 1, а–в) температура снижается с 1000–900 до 800–700 °С, а усилие возрастает в ~10 раз. Это может быть связано с уменьшением толщины заготовки и ее остыванием. После подогрева до температуры теплой прокатки (рис. 1, г–е) усилия снижаются до ~(5–6) МН и сохраняются на протяжении всех переходов прокатки.

На рис. 2 показан результат моделирования теплой прокатки. Видно, что сечение заготовки соответствует требуемым размерам с незначительными отклонениями.

Анализ результатов компьютерного моделирования в специальном программном комплексе позволяет сделать вывод о сходимости полученной модели деформации с экспериментальными данными, полученными в процессе прокатки листов.

Зависимость силовых параметров прокатки от температуры и степени деформации

Указанные зависимости определяли при прокатке образцов в диапазоне температур выше и ниже температуры полиморфного превращения с обжатием 15 и 30 % за проход с замером полного давления металла на валки. В данной работе изучено изменение средних удельных давлений в зависимости от температуры при деформации сплава типа ВТ23 на 15 и 30 %. Значения удельных давлений с уменьшением температуры возрастают со 100–150 до 950–1000 МПа.

Эти изменения соответствуют фазовому состоянию сплава. Резкое снижение значений удельных давлений начинается с температуры на 300 °С ниже температуры полиморфного превращения, а при температуре на 100 °С ниже превращения (α + β) ↔ β сплав типа ВТ23 достаточно разупрочняется и удельные давления при обжатии 30 % составляют 200–280 МПа и 150–250 МПа ‒ при обжатии 15 %.

Степень деформации оказывает меньшее влияние на силовые параметры прокатки, чем температура. Так, понижение температуры прокатки на 100 °С в интервале существования (α + β)-фазы сопровождается повышением удельного давления на 240–300 МПа, а увеличение деформации с 15 до 30 % вызывает повышение удельного давления не более чем на 50–100 МПа.

Деформируемость сплава типа ВТ23 в горячем состоянии высокая. При прокатке контрольных образцов в диапазоне температур выше и ниже температуры полиморфного превращения с обжатием 45 % за проход появления трещин не наблюдалось. При горячей прокатке образцов толщиной 12 мм в этом диапазоне температур удельные давления изменялись в пределах 235–520 МПа. При теплой прокатке образцов толщиной 4,5 мм с обжатием 15 % в интервале температур ниже температуры полиморфного превращения удельные давления изменялись в пределах 290–460 МПа.

Характер изменения крутящих моментов в зависимости от температуры и степени деформации согласуется с характером изменения удельных и полных давлений. Абсолютные значения крутящих моментов в основном пропорциональны полному давлению металла на валки.

Зависимость силовых параметров прокатки от геометрических факторов

Известно, что геометрические факторы (такие как толщина и ширина полосы, диаметр валков и величина обжатия) оказывают влияние на силовые параметры прокатки. С изменением геометрических факторов изменяются условия напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и, следовательно, силовые параметры прокатки.

Для определения влияния геометрических факторов на удельное давление и крутящий момент образцы толщиной 12 и 4,5 мм прокатывали с обжатием 15 % при температурах, применяемых при исследовании.

Ширина образцов выбиралась из условия, что при отношении ширины к высоте ≥5 она не оказывает существенного влияния на удельное давление. В данной работе изучено изменение удельных давлений в зависимости от температуры и толщины полосы при прокатке с обжатием 15 %. При исследовании выяснилось, что с уменьшением толщины прокатываемой полосы (при прочих равных условиях) удельные давления интенсивно растут, особенно в области низких температур.

Так, при прокатке образцов толщиной 12 и 4,5 мм с обжатием 15 % при температуре на 100 °С ниже температуры полиморфного превращения средние удельные давления составили 245 и 440 МПа соответственно, т. е. при уменьшении толщины полосы в 2,5–2,7 раза удельные давления увеличились в 2 раза. С уменьшением температуры значение средних удельных давлений возрастает со 100–200 до 1000–1200 МПа.

Интенсивный рост удельного давления с уменьшением толщины полосы можно объяснить влиянием следующих факторов:

‒ увеличением отношения площади контактных поверхностей к объему металла, находящегося в очаге деформации, и, как следствие, более сильным проявлением сил контактного трения;

‒ усугублением объемного напряженного состояния вследствие большого затруднения поперечной деформации;

‒ более интенсивным подхолаживанием полосы валками при горячей деформации.

Однако силовые параметры прокатки зависят не только от толщины полосы, но и от диаметра валков. С увеличением диаметра валков возрастает протяженность очага деформации и усугубляются условия напряженно-деформированного состояния, в большей степени проявляются силы контактного трения. Совместное влияние на силовые параметры прокатки толщины полосы h и диаметра валков d принято выражать отношением h/d, которое является наиболее характерным показателем зависимости силовых параметров прокатки от геометрических факторов.

Для построения этих зависимостей прокатке подвергали образцы толщиной от 12 до 2 мм. При этом отношение h/d изменялось в пределах от 0,012 до 0,002.

Изучение изменения средних удельных давлений в зависимости от отношения h/d при обжатии 30 и 15 % показало, что с уменьшением отношения h/d в 4 раза средние удельные давления возрастают в ~(1,5–2) раза как при горячей, так и при теплой прокатке.

Зависимость коэффициента трения от температуры

Известно, что реальные значения коэффициента трения получают только при плоской прокатке, когда отсутствует неравномерность высотной деформации, что обеспечивается при отношении длины и высоты не менее 2,5. Поэтому в данной работе коэффициент трения определяли только при прокатке образцов толщиной 4,5 мм с относительным обжатием 15 % в диапазоне температур от температуры полиморфного превращения до температуры на 400 °С ниже этой температуры.

В области существования (α + β)-фаз с повышением температуры коэффициент трения несколько возрастает ‒ с 0,15–0,2 при температуре на 400 °С ниже температуры полиморфного превращения до 0,3 при температуре на 200 °С ниже этой температуры, а затем при дальнейшем нагреве наблюдается его снижение.

Некоторый рост коэффициента трения, который наблюдался при температуре на 200 °С  ниже температуры полиморфного превращения, можно объяснить образованием окалины, которая ухудшает скольжение. Существенное снижение значений коэффициента трения при температуре, близкой к температуре полиморфного превращения, объясняется резким разупрочнением сплава и снижением значений удельных давлений.

При прокатке полос толщиной 4,5 мм в диапазоне температур от температуры полиморфного превращения до температуры на 400 °С ниже коэффициент трения изменяется в пределах 0,1–0,32.

Исследование влияния различных температурно-деформационных режимов прокатки на структуру и свойства сплава типа ВТ23

Для получения тонких листов из сплава типа ВТ23 производили предварительную горячую прокатку с окончанием деформации в β-области и последующей теплой прокаткой. После обработки тонких листов давлением проводили их упрочняющий отжиг.

Влияние температурно-деформационных режимов горячей прокатки на структуру и свойства горячекатаных листов определяли после прокатки в диапазоне температур выше и ниже температуры полиморфного превращения на образцах с толщины 12 мм до толщины 4,5 мм и с относительным обжатием 15 и 30 %.

Структуру и свойства теплокатаных листов исследовали на образцах толщиной 2 мм, прокатанных с толщины 4,5 мм по четырем режимам ниже температуры полиморфного превращения.

В данной работе исследовали зависимости механических свойств от температуры прокатки образцов, прокатанных с толщины 12 мм за один проход со степенями деформации 15 и 30 %. При прокатке при температуре на 200 °С ниже температуры полиморфного превращения механические свойства образцов характеризуются более высокими значениями пластичности, относительного удлинения и сужения и меньшей прочностью, по сравнению с прокаткой при более высоких и низких температурах. Прокатка при температуре на 400 °С ниже температуры превращения (α + β) ↔ β привела к резкому снижению прочности и пластичности. С повышением температуры на 100 °С выше температуры полиморфного превращения наблюдается незначительный рост прочности при одновременном снижении пластичности.

Исследование микроструктуры показало, что после предварительной горячей прокатки при температуре полиморфного превращения и при температуре на 100 °С выше этой температуры образцы имеют пластинчатую (α + β)-структуру (рис. 3, а). После теплой прокатки при температуре на 100–200 °С ниже температуры превращения (α + β) ↔ β на изученной структуре продемонстрированы β-зерна с зернограничной α-фазой и внутризеренной пластинчатой α-фазой (рис. 3, б).

В результате механических испытаний образцов толщиной 2 мм получено, что в исходном теплокатаном состоянии листовые образцы имели прочность σ_в = 1010‒1205 МПа при относительном удлинении 11,3–5,1 %. Отжиг приводит к повышению показателей пластичности образцов, прокатанных при температуре, близкой к температурам полиморфного превращения. Анализ механических свойств листовых образцов показал, что температура горячей прокатки должна быть не выше температуры превращения (α + β) ↔ β, а температура теплой прокатки ‒ на 200–300 °С меньше.

Для получения оптимальных свойств проводили упрочняющую термообработку листов. Образцы, подвергавшиеся теплой прокатке с обжатием 50 %, на первом этапе проходили закалку при температуре на ~200 °С ниже температуры полиморфного превращения с последующим старением при температуре на ~500 °С ниже температуры превращения (α + β) ↔ β. Полученную структуру можно наблюдать на рис. 3, в ‒ на изображении видно, что происходит глобуляризация α-фазы, однако наблюдается и остаточная зернограничная α-фаза.

Из полученного после прокатки и упрочняющей термообработки листа вырезали два образца: в продольном и поперечном направлениях. Испытания образцов на прочность показали, что в продольном направлении σ_в = 1395 МПа, а в поперечном ‒ σ_в = 1210 МПа. Эту разницу можно объяснить присутствием остаточной зернограничной α-фазы.

Для того чтобы получить мелкозернистую равноосную структуру, необходимо произвести теплую прокатку с обжатием 30 % с последующим подогревом и повторной прокаткой с обжатием 30 % с изменением направления прокатки на 90 градусов и подвергнуть полученные листы термообработке по режиму закалки и старения. На рис. 3, г показана полученная глобулярная структура ‒ мелкозернистая и однородная. Значение σ_в во всех направлениях составило ~1420 МПа, а относительное удлинение равно 6 %.

Заключения

На оборудовании НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМв широком диапазоне температур и степеней деформации изучены термомеханические параметры прокатки листов толщиной 2 мм из высокопрочного титанового сплава типа ВТ23.

Установлено, что характер изменения удельных давлений в зависимости от температуры прокатки связан с фазовым состоянием сплава. Степень деформации при горячей прокатке оказывает незначительное влияние на удельное давление. При горячей прокатке образцов толщиной 12 мм при температурах, близких к температуре полиморфного превращения, с обжатием 30 % удельные давления составляли ~(150–500) МПа. При теплой прокатке образцов толщиной 4,5 мм при температурах ниже температуры полиморфного превращения с обжатием 15 % удельные давления составляли ~(440–1200) МПа.

Изучена зависимость силовых параметров прокатки от геометрических факторов. Установлено, что с уменьшением толщины полосы в 2,5–2,7 раза удельные давления возрастают в 1,5–2 раза, с уменьшением отношения ширины полосы к диаметру валков в 4 раза удельные давления возрастают в 1,6–2 раза.

Определена деформируемость сплава типа ВТ23 при прокатке при температурах от ~100 °С выше температуры полиморфного превращения до 400 °С ниже этой температуры. Установлено, что сплав обладает достаточно высокой деформируемостью во всем диапазоне исследуемых температур.

Изучена температурная зависимость коэффициента трения при прокатке сплава типа ВТ23. Установлено, что в области существования (α + β)-фаз коэффициент трения возрастает с 0,15 до 0,2 при температуре на 400 °С ниже температуры полиморфного превращения и до 0,3–0,32 при температуре на 200 °С ниже этой температуры. При более высоких температурах коэффициент трения снижается вследствие резкого разупрочнения металла.

Изучено влияние различных температурно-деформационных режимов горячей и теплой прокатки на структуру и свойства сплава типа ВТ23. Установлено, что оптимальные механические свойства горячекатаных листов достигаются при прокатке в интервале от температуры полиморфного превращения до температуры на 200 °С ниже этой температуры с относительным обжатием 15–30 %. Оптимальные механические свойства теплокатаных листов достигаются при прокатке на 200–300 °С ниже температуры превращения (α + β) ↔ β . При прокатке листа за два перехода с поворотом на 90 градусов получаются более мелкозернистая глобулярная структура и однородные свойства во всех направлениях ‒ σ_в = 1420 МПа и δ = 6 %.